3.2 河床演變原理

在自然條件下，河床總是處于不停地變化和發展之中，這種復雜的演變過程尚不能完全從數學上進行嚴格的求解，大多數只能進行定性的描述和邏輯的推理。河床演變則是指河道在自然情況下或受到人類活動干擾時所發生的變化，包括河床移位、河床的變形和尺寸的改變等。例如，河床因沖刷而下切，因淤積而抬高；河床一岸沖刷，另一岸淤積而在平面上擺動；河床中各種泥沙淤積物在水流作用下的移動或變形等。

河床演變是水流與河床相互作用的反映，而這種相互作用通過它們之間的泥沙交換來實現。水流與河床間的這種泥沙交換又受紊動水流特征所制約。河底是泥沙交換的場所，若沖刷揪起的顆粒平均數等于沉積到河底的數量，則泥沙交換是平衡的，不會產生單向的河床變形、沖刷或淤積。河床演變是水流與河床這對矛盾自動調整的過程。這種調整是通過河流的輸沙能力來實現的。水流的輸沙能力是指在一定條件下水流所有輸送的泥沙數量，它決定于水流的特性和水流中挾帶的泥沙顆粒的性質。

一條河流包括水流與河床兩個方面，它們既相互依存，又相互制約。一定的河床形態和河床組成決定了一定的與其相適應的水流條件，又使河床形態和河床組成產生一定的與其相適應的變化，二者的相互依存和斗爭，推動著河流經常不斷地變化和發展。河道泥沙發生淤積和沖刷的基本原因是由于輸沙的不平衡，即上游來沙與河段的水流挾沙能力不相適應時，河床發生變形。例如，當上游的來沙量小于本河段的水流挾沙力時，則來沙量不能滿足水流挾沙力要求，因而產生河床沖刷，將河床上泥沙沖起，并帶向下游，使本河段河床下降。河床的縱向變形是由于縱向輸沙不平衡引起的，河床的橫向變形是由橫向輸沙不平衡引起的。

水流的挾沙力公式表明，水流的輸沙能力與流速的高次方成正比。任何一個河段，在一定的水流和泥沙條件下，水流具有一定的輸沙能力。如果上游的來沙量與這一輸沙能力相適應，則水流處于輸沙平衡狀態，水流與河床間的泥沙交換將達到平衡，此時河床既不沖刷也不淤積；反之，則水流處于輸沙不平衡狀態，水流與河床間的泥沙交換不平衡，河床將發生相應的沖淤。當上游來沙量大于水流的輸沙能力時，水流中過多的泥沙顆粒逐漸淤積，使河床淤高；當來沙量小于輸沙能力時，水流中不足的泥沙數量將逐漸自河底得到補充，使河床沖深。

河道由于輸沙不平衡所引起的變形，在一定的條件下，往往朝著使變形停止的方向發展，即河床淤積時，其淤積速度將逐漸減小，直至沖刷停止。這種現象即為河床和水流的“自動調整”作用。在河床沖刷或淤積的發展過程中，通過調整河床組成、水深、比降、河寬，使本河段的水流挾沙力與上游的來沙條件趨于相適應，從而使沖刷或淤積向其停止的方向發展。這符合任何事物都走向其反面的一般規律性。由于上游來水來沙不斷變化，河床和水流的相適應性也隨時改變，來水來沙條件的改變，將必然引起輸沙的不平衡，因而平衡狀態只是暫時的、相對的，不平衡性是絕對的，因而河床演變不會停止。